친수성, 소수성 양친매성 전극 개발

그린수소 생산 및 발전효율 획기적 향상

일체형 재생전지 수소생산효율 2배, 발전효율 4배

교신저자 KIST 김종민 선임연구원, 교신저자 KIST 박현서 책임연구원, 교신저자 서울대 성영은 교수-, 제 1저자 KIST 임아연 박사

탄소중립 추진의 일환으로 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 그린 수소의 중요성이 부각되고 있는 가운데, 국내 연구진이 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재됐다.

일체형 재생 연료전지, 수소생산 및 연료전지운전 모두 가능

이번에 개발된 일체형 재생 연료전지는 신재생에너지의 공급이 전기에너지의 수요보다 많으면 물을 분해하여 수소 형태로 에너지를 저장하고, 전기에너지의 수요가 더 많으면 연료전지 운전을 통해 전기를 생산, 공급해 줄 수 있는 하나의 장비다. 다시 말해 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치인 것이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다.

그림 1) (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존전극과 양친매성 전극의 비교) (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도 (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용해 감지된 산소 비교

수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다.

박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다.

이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다.

실용화될 경우, 신재생에너지 발전 시스템과 연동 가능

기본적으로 양이온 교환막 일체형 재생연료전지의 실제 상용화를 위해서는 연료 전지와 수전해 운전 각각에서 전기화학 반응을 할 때 원활한 반응물과 생성물의 이동이 필요하다. 그러나 연료전지 운전과 수전해 운전은 역반응으로서 반대의 표면 성질을 요구하는 역설적 문제를 안고 있다. 이 역설적 문제에 주목한 연구팀은 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용하게 됐다.

[그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(과)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

이번 성과가 주목받는 이유는 기존과 달리 친수성과 소수성의 성질을 모두 가진 양친매성 전극을 개발했기 때문이다. 특수한 패턴을 가지는 고분자 코팅을 전극 표면에 시도한 양친매성 전극은 기존의 전극과 비교했을 때, 연료전지에서는 4.3 배, 수전해에서는 1.9 배의 성능향상을 보였다. 특히, 양친매성으로 성능에서의 효과는 160시간 장기운전을 하는 동안 안정함을 증명한 것으로 알려졌다.

이번 연구가 실용화될 경우, 신재생에너지 발전 시스템과 연동해 일체형 재생 연료전지 시스템에 적용하여 활용할 수 있게 된다. 박현서 교수팀은 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.

그러나 실용화를 위해서는 실험실 수준 규모가 아닌 대면적 전극 제작 및 응용 연구가 추가되어야 한다는 과제가 남아있다. 박 교수팀은 “현재 연구에서는 160시간 동안 안정함을 확인하였으나 상용화를 위해서는 수천시간 시간 이상 안정함이 확인되는 것이 필요하고, 더 향상된 성능을 위해 코팅된 소수성 고분자가 안정하기 위해 고분자 코팅 소재를 변경해 보는 등 추가 연구가 필요하다”고 말하며 “재생연료전지의 전 세계적인 상용화를 위해서는 전극 제작 외에 촉매, 전지에 들어가는 비싼 금속 기판 소재로 인한 비용 문제를 해결하기 위해 기판 소재에 관한 연구도 추가적으로 이루어져야 할 것으로 생각한다”고 전했다.

이어 “이러한 기술이 뒷받침되었을 때는 일체형 재생 연료전지는 교통수단, 주택시설, 항공우주 등 다양한 분야에서 신재생에너지 발전과 연동하여 수소 사회로의 전환에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

* (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells

- (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원

- (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수